利用土壤氡气监测解析埃特纳火山岩浆动力学（2015-2023）：火山监测的新视角与综合方法验证

《Journal of Volcanology and Geothermal Research》：In-soil radon at Mt. Etna (2015–2023): Insights into magma dynamics and applications to volcano monitoring

本研究针对如何有效监测像埃特纳这样人口密集区的活火山活动这一关键问题，研究人员通过对该火山东南翼监测站长达八年（2015-2023）的连续土壤氡气数据进行分析，结合创新的数学算法过滤环境噪声，揭示了氡气异常与火山喷发事件、浅层岩浆侵入及地震群之间的显著相关性。研究结果将土壤氡气确立为追踪岩浆补给、迁移和相互作用的有效地球化学示踪剂，证明了其作为火山活动补充监测工具的潜力，为推进火山灾害预警的地球化学方法提供了重要依据。

　　

火山，地球上最壮丽也最令人敬畏的自然现象之一，其下蕴藏着巨大的能量与破坏力。对于像意大利西西里岛埃特纳火山这样人口密集区域附近的活火山而言，准确预测其活动至关重要。传统的火山监测手段，如地震学、大地测量学和气体地球化学，已经取得了长足进展，但科学家们仍在不断寻求新的、更灵敏的参数来“倾听”地球深处的脉动，以期更早地捕捉到火山系统失衡的信号。这其中，氡气（²²²Rn）作为一种天然的放射性惰性气体，因其半衰期短（约3.8天）且对地下应力变化和流体运移高度敏感，长期以来被视为探测地震和火山活动前兆的潜在指标。然而，如何从长期、连续的监测数据中，将可能与火山活动相关的氡气信号从复杂的季节性环境噪声（如温度、降雨）中有效分离出来，并系统性地验证这些信号与岩浆过程的具体关联，一直是该领域面临的关键挑战。

为了解决这些问题，以意大利国家地球物理与火山学研究所埃特纳观测台（INGV-OE）的 Salvatore Giammanco 为首的研究团队，进行了一项开创性的研究。他们聚焦于埃特纳火山东南翼一处位于1989年喷发形成的干裂缝上的监测站（ERN8），分析了从2015年至2023年共八年多的连续土壤氡气数据。这是迄今为止埃特纳火山最长的氡气时间序列，也是全球活火山中时间跨度最长的数据集之一，覆盖了从溢流式到高度爆发性的多种喷发类型。为了揭示隐藏在数据中的火山信号，研究人员运用了创新的数学算法（如连续小波变换和信号多分辨率分析）对原始氡气时间序列进行过滤，以去除由环境因素引起的周期性噪声。他们将过滤后的“清洁”氡气信号，与同一时期的火山喷发活动、地震序列以及基于火山喷出物（熔岩和火山灰）岩石学分析所得的岩浆补给历史进行多学科交叉比对。这项研究首次在埃特纳火山实现了对长时间尺度土壤氡气排放数据的综合分析与多参数验证，旨在评估氡气作为追踪岩浆动力学和火山-构造流体活动新参数的效能，其研究成果已发表在《Journal of Volcanology and Geothermal Research》上。

主要研究方法：

研究人员在位于埃特纳火山东南翼、海拔1620米的ERN8监测站，使用BARASOL BMC2探头（一种对α粒子敏感的无源硅探测器）进行连续土壤氡气浓度（单位：Bq/m³）监测，采样频率为每小时一次。为了从数据中提取与火山活动相关的信号，他们采用了复杂的数学算法进行数据过滤。首先，他们将整个数据集（因存在较大数据间隙而分成三个时段处理）进行了频谱分析和连续小波变换（CWT），以识别并量化由温度等环境因素引起的周期性噪声（如年周期、半年周期、数日至数月周期）。随后，他们运用信号多分辨率分析（SMA）和最大重叠离散小波变换等固定带宽方法，针对性地滤除了这些周期性环境干扰，最终得到了一条能够反映深层地质过程变化的过滤后氡气时间序列。此外，他们应用了基于正态概率图的图形统计方法，设定了区分“正常”值和不同强度“异常”值的统计阈值。最终，他们将过滤后的氡气异常与INGV-OE发布的官方火山活动周报、地震数据以及已发表的岩石学数据（利用晶体环带和扩散年代学推断岩浆补给时间）进行综合对比分析，以建立氡气异常与特定火山/岩浆事件之间的关联。

研究结果与发现：

1. 数据概览与滤波处理

原始的土壤氡气数据显示出极大的变异性，标准偏差高达154,340 Bq/m³。时间序列中存在一系列显著的正峰值，最剧烈的峰值出现在2019年9月至10月间，浓度接近1350万 Bq/m³，比整个序列的平均值高出近三个数量级。同时，空气温度数据显示出明显的年周期性。频谱和连续小波变换分析证实了氡气数据中存在多种周期性信号（如12小时、约6个月、1年等），这些被认为主要源于环境噪声。通过应用信号多分辨率分析（SMA）等数学滤波器，研究人员成功去除了这些周期性干扰，获得了能够更清晰反映火山动力学信号的过滤后数据序列。

2. 氡气异常与火山活动的关联

过滤后的数据揭示了氡气异常与埃特纳火山活动之间存在明确的相关性。

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  与剧烈喷发事件的关联：最显著的氡气异常序列发生在2019年9月至10月，包含多个高达数百万Bq/m³的峰值。这些异常与2019年9月开始、持续至2020年5月的沃拉吉内（VOR）和博卡努奥瓦（BN）火山口的斯通博利式和溢流式活动在时间上重合。研究人员认为，这可能是由于火山通道系统内部岩浆压力剧增（导致气体大量释放）或与同期影响火山东翼的地震群有关，地震前岩石微破裂导致渗透性改变，从而引起氡气大量释放。
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  作为岩浆补给前兆：研究发现，许多较低强度的氡气异常（根据正态概率图定义为B和F类群）往往出现在喷发活动之前。例如，在2015年12月3-5日和2016年5月的猛烈喷发（岩浆喷泉）事件前约1个月，均观测到了明显的氡气异常振荡。岩石学证据表明，这些时段恰好发生了来自火山管道系统深部的镁铁质、富挥发分岩浆的补给事件。这表明，氡气异常可以作为深部岩浆补给和向浅部迁移过程的有效地球化学示踪剂。
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  与地震序列的对应：氡气异常也与特定地震序列相关。例如，在2018年12月24-27日侧翼喷发及其伴随的强烈地震序列（包括12月26日发生的M4.9地震）之前，从2018年9月中旬至12月中旬观测到了清晰的氡气异常。同样，2017年8月的一次强烈地震序列也伴随着长期的氡气异常。
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  对近期喷发活动的指示：在2020-2022年东南火山口（SEC）的猛烈喷发序列期间，也观察到了氡气的短期振荡。例如，在2020年12月13-14日首轮喷发前约三周（11月下旬），以及2021年5月19日喷发序列重新开始前，均出现了显著的异常。2023年的几次喷发活动（如5月21日、11月12日和12月1日的喷发）也显示出与之相关的氡气信号变化，特别是在喷发前出现先升后降的振荡模式。

3. 机制模型解释

为了解释观测到的氡气异常模式，研究者提出了几种可能的物理化学模型：

1. 1.
   长周期气体压力波模型：当富含挥发分的岩浆在深处上升和侵位时，气体相出溶产生压力波，以天至周为周期在火山体内（主要通过断层）传播，导致地表氡气排放先增加后减少的正弦式振荡。
2. 2.
   短周期气体压力扰动模型：在导致猛烈喷发的岩浆快速向地表迁移前夕，会发生短寿命的气体超压。这首先会引起“气体活塞”效应，使氡气排放急剧增加；随后，快速上升的岩浆可能产生类似伯努利效应的“气体抽吸”作用，将气体（及其携带的氡）更多引向山顶火山口而非侧翼，导致监测点氡气浓度随后急剧下降。这解释了在猛烈喷发前观察到的先急剧升高后快速降低的尖峰状异常。
3. 3.
   岩石物理性质改变模型：与浅层岩浆侵入相关的强地震群发生前，构造应力的积累会导致岩石（特别是其渗透性）发生强烈变化（微破裂增多），从而引起氡气释放的显著增加。

结论与重要意义

本研究表明，通过对长期、连续的土壤氡气时间序列进行精密的数学过滤和多学科交叉验证，可以成功分离出与火山活动密切相关的信号。研究证实，土壤氡气异常能够有效指示埃特纳火山系统的深部岩浆补给、迁移过程以及伴随的浅层地震活动。具体而言：

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  长期（数周至数月）的氡气振荡通常与深部岩浆补给和储存相关。
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  短期（数小时至数天）的剧烈尖峰状异常，则常与即将发生的猛烈喷发（岩浆喷泉）事件相关联。
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  这些异常可以通过深部岩浆气体释放产生的压力波传播，或与地震相关的岩石渗透性变化等机制得到合理解释。

这项研究的意义重大。它首次在埃特纳火山长达八年的时间尺度上，系统地将土壤氡气数据与岩石学证据相结合，不仅确认了氡气作为火山活动有效前兆的潜力，还深化了对不同时间尺度岩浆动力学过程的理解。研究成果有力地支持了将土壤氡气监测整合到INGV-OE现有的实时火山监测网络之中，作为一种补充性的地球化学监测工具。这为提升火山灾害的预警能力和风险评估的准确性提供了新的科学依据和数据支持，凸显了多参数综合监测方法在火山学与地球科学研究中的关键价值。